【摘要】：液層蒸發(fā)在自然界中十分常見,同時也廣泛應(yīng)用于諸多工業(yè)領(lǐng)域,如散熱器熱管、薄膜制備、蒸餾過程等。當(dāng)蒸發(fā)引起的法向溫度梯度大于臨界值時液層會在表面張力梯度的驅(qū)動下形成Bénard-Marangoni(BM)對流。與此同時,由于自由面的彎曲與蒸發(fā)的不均勻使液面中心區(qū)域溫度低于邊緣,形成了切向的溫度梯度驅(qū)動流體產(chǎn)生熱毛細(xì)對流,當(dāng)切向溫度梯度超過臨界值時,熱毛細(xì)對流會進一步失穩(wěn)形成位置固定的滾胞和傳播的熱流體波。BM對流與熱毛細(xì)對流均可稱為Marangoni對流,在蒸發(fā)過程中它們同時產(chǎn)生,相互耦合。然而現(xiàn)有對液層中Marangoni對流的研究很少考慮工質(zhì)蒸發(fā)時BM對流與熱毛細(xì)對流的相互關(guān)系。故本文以不同蒸發(fā)條件下厚度為0.76~1.68mm矩形液層內(nèi)Marangoni對流為對象,主要進行了以下幾方面的研究:(1)實驗觀察了不同環(huán)境溫度下矩形液池(L×W=60×80 mm)內(nèi)的Marangoni對流,找到了在不人為施加切向溫度梯度時,由于蒸發(fā)冷卻效應(yīng)自發(fā)形成熱流體波的臨界條件。研究結(jié)果表明:液層自然蒸發(fā)形成的法向、切向溫度梯度不僅會在液層中形成BM對流、熱毛細(xì)對流和滾胞。當(dāng)初始溫度達到臨界條件時,還可以自發(fā)形成傾斜傳播的熱流體波。即在自然蒸發(fā)液層中同時存在BM對流、熱毛細(xì)對流、滾胞和熱流體波的情況。液層越厚,越容易因蒸發(fā)冷卻效應(yīng)自發(fā)形成熱流體波。(2)當(dāng)液層厚度d1.27 mm時,BM渦胞與熱毛細(xì)對流交界處附近存在大量波長較小的、在熱毛細(xì)對流末端向BM對流漂移傳播的渦胞結(jié)構(gòu)。對此結(jié)構(gòu)展開了研究,發(fā)現(xiàn)漂移的渦胞無量綱波長近似為1,與BM對流渦胞不同,漂移渦胞的波長在傳播中幾乎不發(fā)生改變,也沒有穿透液層,通過實驗證明了該結(jié)構(gòu)僅存在于液層表面。它在熱毛細(xì)對流末端產(chǎn)生,然后向液層中部平移,最后在熱毛細(xì)對流與BM對流交界處消失。通過大量實驗確定了不同厚度液層產(chǎn)生表面漂移渦胞的臨界條件。(3)對難揮發(fā)的1 cSt、1.5 cSt硅油內(nèi)液層失穩(wěn)的現(xiàn)象進行了實驗研究,確定了其失穩(wěn)形成熱流體波的臨界條件,發(fā)現(xiàn)隨著蒸發(fā)率的降低、Pr數(shù)的升高,液層內(nèi)越難失穩(wěn)形成熱流體波。對0.65cSt硅油內(nèi)BM渦胞、滾胞及熱流體波結(jié)構(gòu)及傳播規(guī)律展開了討論。
【圖文】：

1 緒 論1.1 引言矩形液層的蒸發(fā)過程在自然界中十分常見，同時也廣泛應(yīng)用于諸多工業(yè)領(lǐng)域散熱器熱管[1]、薄膜制備[2][3][4]、蒸餾過程[5]等。近年來，我國航天技術(shù)發(fā)展迅猛宮系列空間站投入運行，有條件更深入地研究微重力或零重力條件下各物理及規(guī)律，故而在空間實驗中存在自由表面流體運動的主要驅(qū)動力——表面張題成為研究的熱門。微重力或水平方向布置的熱管結(jié)構(gòu)如圖 1.1 所示。當(dāng)熱管發(fā)端受熱時工質(zhì)吸收熱量蒸發(fā)汽化，微弱壓差使得蒸汽向另一端擴散，在冷工質(zhì)蒸汽釋放出熱量冷凝為液態(tài)，，然后靠吸液芯的毛細(xì)作用使工質(zhì)回流到蒸，但與此同時液層表面的 Marangoni 效應(yīng)則將工質(zhì)從溫度較高的蒸發(fā)端拉向溫低的冷凝端，阻礙了工質(zhì)向蒸發(fā)端的回流，甚至?xí)霈F(xiàn)熱端工質(zhì)干涸、燒壞壁的現(xiàn)象。因此，很有必要對蒸發(fā)液層中 Marangoni 對流進行深入研究。

圖 1.2 Marangoni 對流的分類Fig. 1.2 The classification of the Marangoni convection.如圖 1.3(a)所示，對水平液層底部加熱、上部制冷，假設(shè)在下層的熱流體某處存在一個微小的擾動，流體質(zhì)點向自由表面上遷移，那么在自由表面上就可以形成局部熱塊，其溫度比周圍流體的溫度高，對于大多數(shù)的流體，其表面張力隨溫度的升高而降低，在表面張力的驅(qū)動下，熱塊區(qū)域流體向周圍流動，同時帶動底端高溫流體質(zhì)元向上補充，四周的流體相互擠壓向下回流，從而使流動得以持續(xù)下去，液層中即失穩(wěn)出現(xiàn)了 BM 對流結(jié)構(gòu)。如圖 1.3(b)所示，三維情況下 BM 對流呈現(xiàn)出渦胞形態(tài)，自排列組織形成六邊形規(guī)則蜂窩狀結(jié)構(gòu)。對流溶質(zhì)毛細(xì)對流法向溫度梯度Marangoni對流(濃度引起)
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TK12

【參考文獻】

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本文編號：2648521